Науково-практичні основи екологічно безпечної рекультивації полігонів твердих побутових відходів

Abstract

У дисертації приведені результати наукових досліджень, направлених на обґрунтування науково-практичних основ екологічно безпечної рекультивації полігонів твердих побутових відходів. Проведений нами аналіз літератури (розділ 1) засвідчив, що незадовільний, а в деяких випадках критичний стан довкілля в різних регіонах України викликаний попереднім екологічно небезпечним господарюванням, недостатнім і незбалансованим фінансуванням природоохоронної діяльності, а також результатами військових дій агресора – росії за час російсько – української війни. У відповідності із стратегією збалансованого (сталого) соціально – економічного розвитку України з ціллю забезпечення високого рівня якості навколишнього середовища та гармонізації рівня якості і самовідновлення довкілля України до показників, що існуютьу Євросоюзі і в інших розвинутих країнах та регіонах світу, необхідно розробити нові та адаптувати існуючі природоохоронні технології. Серед цих технологій чинне місце належить технологіям, процесам та методам відновлення та рекультивації техногенно порушених земель. До таких проблем відносяться і проблеми рекультивації полігонів твердих побутових відходів (ТПВ). Основні виклики та ризики для реалізації процесів рекультивації полігонів ТПВ, які можуть загрожувати екологічній безпеці довкілля в зоні їх впливу, в достатній мірі викладені в багаточисельних працях вітчизняних та іноземних дослідників, до яких належать: М. Гомеля, В. Радовенчик, Л.Пляцук, М. Мальований, І.Аблєєва, В. Попович, В. Карабин, М. Краснянський, М. Корбут, Г. Крусір, О. Сагдєєва, О. Рогов, В. Дяків, G. Denafas, М. Barlaz, Р. Baccini, H. Robinson, M. Mehmood, T. Maehlum та багатьох інших. Предметом досліджень цих вчених були різні аспекти рекультивації сміттєзвалищ та перетворення їх в зони рекреації та в інші екологічно безпечні об’єкти. Зокрема досліджувались методи очищення накопичених та постійно утворюваних фільтратів полігонів ТПВ, забезпечення родючого рекультиваційного шару необхідними елементами живлення рослин та якісним садивним матеріалом для розмноженням деревних рослин у штучних контрольованих умовах in vitro. У другому розділі запропонована концептуальна схема досліджень, сформовані їхні предмет та об’єкт. Приведена характеристика і вибір району та матеріалів для досліджень. Розглянута загальна характеристика полігонів ТПВ Львівської області, детально розглянуті характеристики Грибовицького (Львівського) полігону ТПВ та Червоноградського полігону ТПВ, фільтрати яких використовувались для лабораторних досліджень. Приведені також результати досліджень фізико – хімічних характеристик фільтратів цих полігонів. Приведені фізико-хімічні характеристики матеріалів, які використовувались у дослідженнях, описані установки та методики лабораторного моделювання процесів очищення фільтратів полігонів ТПВ в умовах аерованої лагуни, а також натурні дослідження на спеціально сконструйованій пілотній установці, встановленій на Грибовицькому полігоні ТПВ. Описана методика досліджень стадії фінального доочищення фільтрату на каналізаційних очисних спорудах. Описані методики а також апаратурне обладнання досліджень процесу вивільнення цільового компоненту із капсульованих добрив. Запропонована методика лабораторних досліджень впливу капсульованих мінеральних добрив на рН ґрунту та біоценоз ґрунту. Описана послідовність досліджень впливу мінеральних добрив на кінетику росту тестових рослин. Розроблена методика досліджень мікроклонування шовковиці білої (Morus alba Linn.) in vitro, методика отримання асептичної культури експлантів таксонів роду Picea A. Dietr, методика досліджень активації ростових процесів насіння рослин сосни звичайної (Pinus sylvestris L.) мікроелементами. В третьому розділі в лабораторних умовах розглядаються особливості очищення фільтратів Червоноградського полігону ТПВ, визначені динаміка зміни концентрацій основних забруднень та параметри процесу очищення. Встановлені кореляційні залежності зміни вмісту в фільтраті речовин, що спливають, та завислих речовин, концентрації сумарного азоту, амонійного азоту, рівня рН, БСКповн, БСК5, ХСК, в процесі його біохімічного аеробного очищення. В результаті порівняльного аналізу кінетики зміни відносної концентрації азоту амонійного (N) в фільтратах Червоноградського та Грибовицького полігону ТПВ, встановлено, що окиснення іонів амонію є інтенсивнішим в "молодих" фільтратів, до того ж в процесі очищення "молодих" фільтратів, абсолютна кількість окиснених іонів амонію (1427 мг/л → 212 мг/л) значно перевищує цей показник у "старих" фільтратів (899 мг/л → 219 мг/л). В процесі вивчення динамічного режиму біологічного очищення фільтратів Грибовицького полігону ТПВ встановлено, що оптимальна тривалість їх перебування в реакторі становить 10 діб. Від температури проходження процесу біологічного аеробного очищення, значною мірою залежить кінетика зміни концентрації в фільтраті амонійного азоту, тому для роботи двостадійної технології очищення фільтратів в аерованих лагунах та на КОС, в залежності від температури навколишнього середовища необхідно проводити корегування режимів окремих процесів. У четвертому розділі на основі аналізу даних натурних досліджень ефективності аеробного біохімічного очищення фільтрату типового полігону ТПВ та досліджень кінетики його очищення підтверджено ефективність розробленої технології для очищення таких видів забруднених водних середовищ (фільтратів типових полігонів ТПВ). Запропонована двостадійна технологічна схема дозволяє ефективно проводити очищення фільтратів полігонів ТПВ із попереднім очищенням в умовах аерованої лагуни на території полігону, транспортуванням фільтрату після першої стадії очищення трубопроводом «сміттєзвалище – міські КОС», розбавленням його міськими каналізаційними стоками та доочищенням на міських КОС. Пятий розділ присвячений дослідженням синтезу та властивостей капсульованих модифікованим ПЕТ мінеральних добрив для використання їх в технологіях біологічної рекультивації. Встановлено, що побутові полімерні відходи, а саме – ПЕТ, полівінілхлорид, поліпропілен та поліетилен, за своєю здатністю до біодеструкції та характеристиками дифузійної проникності нітроген вмісних іонів, можуть слугувати основою матеріалів оболонки для синтетичних гранульованих мінеральних добрив. Запропонована принципова технологічна схема виготовлення плівкоутворюючої композиції для капсулювання синтетичних мінеральних добрив. Експериментальним шляхом, встановлені кінетичні параметри процесу вивільнення мінеральних речовин нітроамофоски, капсульованої оболонкою на основі модифікованого ПЕТ. Підтверджена адекватність застосованої математичної моделі, яка дозволяє, із достатньою точністю, прогнозувати властивості капсульованої нітроамофоски у залежності від маси оболонки без необхідності проведення довготривалих експериментальних досліджень. За розрахованими технологічними параметрами отримані гранульовані добрива, капсульовані плівкою на основі модифікованого ПЕТ, із прогнозованими характеристиками. У шостому розділі приводяться дані агроекологічних досліджень капсульованих модифікованим ПЕТ мінеральних добрив. Дослідженнями зміни кислотності ґрунтового середовища у системі “ґрунт – добриво – рослина” встановлено, що протягом початкового періоду після внесення, капсульоване мінеральне добриво, порівняно із гранульованим, чинить менший вплив на зміну водневого показника ґрунту, а отже менш агресивно пливає на рослинний покрив та ґрунтову мікрофлору, з плином часу цей вплив нівелюється. Дослідженнями вивільнення з мінеральних добрив основних елементів живлення встановлено, що при застосуванні капсульованого добрива, концентрація P2O5 після 60 діб досліду, була вищою на 10 мг/кг ґрунту; K2O – вищою на 13 мг/кг ґрунту; концентрація NO2 – вищою на 11,2 мг/кг ґрунту, ніж при використанні гранульованого добрива. Це пояснюється тим, що у випадку використання гранульованого добрива, на початкових етапах після внесення процес розчинення відбувається швидше, відповідно елементи живлення вивільняються у надмірних кількостях та не повною мірою засвоюються рослинами. Надлишкові поживні елементи вимивалися за межі кореневої системи рослин системою поливу. У варіанті із використанням капсульованих добрив вивільнення елементів живлення відбувалося повільніше, що дозволяє рослинам ефективніше їх засвоїти, тим самим зменшивши негативний вплив на навколишнє середовище. Дослідженнями впливу мінеральних добрив на мікробіологічну активність ґрунту встановлено, що внесення капсульованих добрив у підвищеній кількості, у перерахунку на 1000 кг/га, не спричинило негативного впливу на азотфіксуючу та загальну ґрунтову мікрофлору та позитивно вплинуло на чисельність мікроорганізмів. Динаміка часової зміни логарифму кількості азотфіксуючої ґрунтової мікрофлори описується однотипною залежністю, при цьому найбільше зростання чисельності азотфіксуючої мікрофлори відбувається у випадку використання капсульованих мінеральних добрив. Сьомий розділ присвячений аналізу даних досліджень щодо отримання садивного матеріалу для біологічної рекультивації порушених ландшафтів розмноженням деревних рослин у штучних контрольованих умовах in vitro. Дослідження щодо введення акліматизованої в Україні шовковиці білої в культуру in vitro в як експлантів показали, що найкращого результату досягнуто у випадку відбору бруньок ювенільних рослин на початку вегетаційного періоду. У разі деконтамінації найвищу частку асептичних експлантів (98,3 %) отримали після хіміо- та термотерапії. Для намноження ініційованих експлантатів шовковиці білої найбільш придатним виявилось середовище MS, доповнене 7 г/л агару і 30 г/л цукрози. Встановлене оптимальне середовище для укорінення мікроживців шовковиці білої in vitro. Результати досліджень показали, що оптимальна схема деконтамінації експлантів досліджуваних культиварів роду Picea охоплює хіміотерапію і хемотерапію. Проведення такої послідовності робіт забезпечує отримання максимальної кількості стерильних життєздатних експлантів досліджуваних таксонів роду Рісеа за умов in vitro. Встановлено, що одним із найефективніших способів отримання масової кількості високоякісного генетично цінного садивного матеріалу багряника японського є розмноження в штучних контрольованих умовах in vitro. Дослідженнями встановлено, що комплексне мікродобриво «Аватар-1» в концентрації 5,0 мл/л води сприяє зростанню енергії (на 5 добу) на 169 % та швидкості проростання насіння сосни звичайної на 25 % порівняно із контролем. Його рекомендується використовувати як ефективний засіб для активації ростових процесів і вирощування високоякісного садивного матеріалу цінних таксонів сосни звичайної в рекультиваційних цілях, в лісових та садово-паркових господарствах та в зеленому будівництві.

This thesis presents the results of scientific research aimed at substantiating the scientific and practical foundations of environmentally safe landfill reclamation. Our analysis of the literature (Chapter 1) has shown that the unsatisfactory and, in some cases, critical state of the environment in different regions of Ukraine is caused by previous environmentally hazardous management, insufficient and unbalanced financing of environmental protection activities, as well as the results of military actions of the aggressor, Russia, during the Russian-Ukrainian war. In accordance with the strategy of balanced (sustainable) socio-economic development of Ukraine in order to ensure a high level of environmental quality and harmonize the level of quality and self-healing of the environment of Ukraine with the indicators achieved in the European Union and other developed countries and regions of the world, it is necessary to develop new and adapt existing environmental technologies. Among these technologies, technologies, processes, and methods for restoring and reclaiming technologically disturbed lands are in the forefront. Such problems include the problems of reclamation of municipal solid waste (MSW) landfills. The main challenges and risks to the implementation of landfill reclamation processes that may threaten the environmental safety of the environment in the area of their impact are sufficiently described in numerous works by domestic and foreign researchers, including: M. Gomel, V. Radovenchyk, M. Malovanyy, V. Popovych, V. Karabin, M. Krasnyansky, M. Korbut, G. Krusir, O. Sagdeeva, O. Rogov, V. Dyakiv, G. Denafas, M. Barlaz, R. Baccini, H. Robinson, M. Mehmood, T. Maehlum and many others. The subject of these scientists' research was various aspects of landfill reclamation and their transformation into recreation areas and other environmentally safe facilities. In particular, they studied methods of cleaning accumulated and constantly generated landfill leachates, providing the fertile reclamation layer with the necessary plant nutrients and high-quality planting material for the propagation of woody plants under artificially controlled conditions in vitro. In the second section, the conceptual scheme of the research is proposed, its subject and object are formed. The characterization and selection of the area and materials for research are given. The general characteristics of the landfills in Lviv region are considered, and the characteristics of the Hrybovychi (Lviv) landfill and the Chervonohrad landfill, whose leachates were used for laboratory studies, are discussed in detail. The results of studies of physical and chemical characteristics of leachates from these landfills are also presented. The physical and chemical characteristics of the materials used in the studies are given, the installations and methods of laboratory modeling of the processes of treatment of landfill leachates in an aerated lagoon, as well as field studies at a specially designed pilot plant installed at the Gribovitsky landfill are described. The paper describes the methodology for studying the final leachate treatment stage at sewage treatment plants. Methods and equipment for studying the process of release of the target component from encapsulated fertilizers are described. A methodology for laboratory studies of the effect of encapsulated mineral fertilizers on soil pH and soil biocenosis is proposed. The sequence of studies of the effect of mineral fertilizers on the growth kinetics of test plants is described. A methodology for in vitro microcloning of white mulberry (Morus alba Linn.), a methodology for obtaining aseptic culture of explants of taxa of the genus Picea A. Dietr, a methodology for studying the activation of growth processes of seeds of pine plants (Pinus sylvestris L.) by microelements. In the third section, the peculiarities of leachate treatment at the Chervonograd landfill are considered in laboratory conditions, the dynamics of changes in the concentrations of the main contaminants and the parameters of the treatment process are determined. Correlation dependencies of changes in the content of floating and suspended solids, concentration of total nitrogen, ammonium nitrogen, pH, BOD, BOD5, COD in the leachate during its biochemical aerobic treatment were established. As a result of a comparative analysis of the kinetics of changes in the relative concentration of ammonium nitrogen (N) in leachates from Chervonograd and Gribovytske landfills, it was found that the oxidation of ammonium ions is more intense in "young" leachates, In addition, in the process of treatment of "young" leachates, the absolute amount of oxidized ammonium ions (1427 mg/l → 212 mg/l) significantly exceeds this indicator in "old" leachates (899 mg/l → 219 mg/l). In the process of studying the dynamic regime of biological treatment of leachates from the Gribovytske landfill, it was found that the optimal duration of their stay in the reactor is 10 days. The kinetics of changes in the concentration of ammonium nitrogen in the leachate largely depends on the temperature of the biological aerobic treatment process, so for the operation of the two-stage technology of leachate treatment in aerated lagoons and at the CWS, depending on the ambient temperature, it is necessary to adjust the modes of individual processes. In the fourth section, based on the analysis of data from field studies of the effectiveness of aerobic biochemical treatment of leachate from a typical landfill and studies of its treatment kinetics, the effectiveness of the developed technology for the treatment of such types of contaminated water environments (leachates from typical landfills) is confirmed. The proposed two-stage technological scheme allows for effective treatment of landfill leachate with preliminary treatment in an aerated lagoon on the territory of the landfill, transportation of leachate after the first stage of treatment through the landfill - municipal wastewater treatment plants pipeline, dilution with municipal sewage and post-treatment at municipal wastewater treatment plants. The fifth chapter is devoted to the study of the synthesis and properties of mineral fertilizers encapsulated with modified PET for use in biological remediation technologies. It has been established that household polymeric waste, namely PET, polyvinyl chloride, polypropylene, and polyethylene, due to their biodegradability and diffusion permeability characteristics of nitrogen-containing ions, can serve as the basis of shell materials for synthetic granular mineral fertilizers. A fundamental technological scheme for the manufacture of a film-forming composition for encapsulation of synthetic mineral fertilizers is proposed. Experimentally, the kinetic parameters of the process of mineral release of nitroammophoska encapsulated by a shell based on modified PET were determined. The adequacy of the applied mathematical model has been confirmed, which allows predicting the properties of encapsulated nitroammophoska with sufficient accuracy depending on the weight of the shell without the need for long-term experimental studies. According to the calculated technological parameters, granular fertilizers encapsulated with a film based on modified PET with the predicted characteristics were obtained. Chapter 6 presents the results of agroecological studies of PET-modified encapsulated mineral fertilizers. Studies of changes in soil acidity in the soil-fertilizer plant system have shown that during the initial period after application, encapsulated mineral fertilizer, compared to granular fertilizer, has a lesser impact on changes in the hydrogen index of the soil, and therefore has a less aggressive effect on vegetation and soil microflora, and this effect is leveled over time. Studies of the release of basic nutrients from mineral fertilizers have shown that when using capsulated fertilizer, the concentration of P2O5 after 60 days of experiment was 10 mg/kg of soil higher; K2O - 13 mg/kg of soil; NO2 concentration - 11.2 mg/kg of soil higher than when using granular fertilizer. This is because when granular fertilizer is used, the dissolution process is faster in the initial stages after application, and thus nutrients are released in excessive amounts and not fully absorbed by plants. Excess nutrients were washed out of the root system of plants by the irrigation system. In the variant with the use of encapsulated fertilizers, the release of nutrients was slower, allowing plants to absorb them more efficiently, thereby reducing the negative impact on the environment. Studies of the impact of mineral fertilizers on soil microbiological activity have shown that the application of encapsulated fertilizers in increased amounts per 1000 kg/ha did not have a negative impact on nitrogen-fixing and general soil microflora and had a positive effect on the number of microorganisms. The dynamics of time changes in the logarithm of the number of nitrogen-fixing soil microflora is described by the same type of dependence, with the greatest increase in the number of nitrogen-fixing microflora occurring in the case of using encapsulated mineral fertilizers. The seventh chapter is devoted to the analysis of research data on the production of planting material for biological reclamation of disturbed landscapes by propagation of woody plants under artificially controlled conditions in vitro. Studies on the introduction of white mulberry acclimatized in Ukraine into in vitro culture as explants have shown that the best result was achieved by selecting buds of juvenile plants at the beginning of the growing season. In the case of decontamination, the highest proportion of aseptic explants (98.3 %) was obtained after chemotherapy and thermotherapy. For the multiplication of initiated explants of white mulberry, MS medium supplemented with 7 g/l agar and 30 g/l sucrose was the most suitable. The optimal medium for rooting of white mulberry micropropagules in vitro was determined. The results of the study showed that the optimal scheme of decontamination of explants of the studied cultivars of the genus Picea includes chemotherapy and chemotherapy. Such a sequence of works ensures the maximum number of sterile viable explants of the studied taxa of the genus Picea under in vitro conditions. It has been established that one of the most effective ways to obtain mass quantities of high-quality genetically valuable planting material of Japanese scarlet is propagation under artificial controlled conditions in vitro. Studies have shown that Avatar-1 complex micronutrient fertilizer at a concentration of 5.0 ml/l of water increases energy (on day 5) by 169% and the germination rate of scots pine seeds by 25% compared to the control. It is recommended to be used as an effective tool for activating growth processes and growing high-quality planting material of valuable scots pine taxa for reclamation purposes, in forestry, landscape gardening and green building.